既有大跨度鋼筋混凝土拱橋荷載試驗

甘袁華

（六盤水市規(guī)劃設計研究院，貴州六盤水 553001）

0 引言

拱橋是在我國的橋梁建設中較廣泛使用的一種橋型。相對于梁橋來說，在豎向荷載作用下水平推力的存在大大降低了拱圈中的彎矩，使得主拱截面以受壓為主，從而可以充分發(fā)揮混凝土材料的抗壓強度，這在很大程度上使得鋼筋混凝土拱橋的跨越能力比一般鋼筋混凝土梁橋大得多[1]。

我國的鋼筋混凝土拱橋大多建于20世紀八九十年代，在長期的使用過程中，由于材料老化、環(huán)境侵蝕以及荷載標準提高等各方面的不利影響，大量的既有鋼筋混凝土拱橋出現(xiàn)了各種各樣的病害，直接影響到橋梁結構的正常使用和安全通行[2]。因此，對既有鋼筋混凝土拱橋進行檢查、檢測和評定，確定其當前的技術狀況、使用性能和承載能力就顯得異常重要。

本文以一座典型的鋼筋混凝土拱橋為例，通過現(xiàn)場加載試驗來對其承載能力進行評定，進一步明確鋼筋混凝土拱橋荷載試驗的步驟和重點，對同類型橋梁的檢測和評定有借鑒作用。

1 橋梁概況

某上承式鋼筋混凝土肋拱橋，一孔跨河，拱軸線為懸鏈線。橋梁全長66 m，拱肋凈跨徑為45 m，凈矢高為7.5 m，矢跨比為1/6，拱軸系數(shù)為1.347。該橋的設計荷載為汽車-15級，橋面寬度為凈-4.5 m（行車道）+2×0.25 m（安全帶）。

橋梁的主拱拱肋、橫隔板、立柱、蓋梁、行車道連續(xù)板等均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構，其中拱肋采用30#混凝土，橫隔板、立柱、蓋梁、行車道連續(xù)板等采用25#混凝土。兩側橋臺采用重力式橋臺，臺身采用塊石混凝土，基礎采用片石混凝土。

2 試驗基本原則及工況布載

橋梁荷載試驗通常需按荷載效率η來確定試驗采用的最大荷載，荷載效率η的計算公式為：

式（1）中:Sstat——試驗荷載作用下檢測部位變形或內力的計算值；S——設計荷載作用下檢測部位變形或內力的計算值；

d——設計取用的動力系數(shù)。

實際荷載試驗時，荷載效率宜控制在0.80～1.05 之間[3]。

根據(jù)當前的試驗規(guī)程[4]，并結合所研究橋梁的實際情況，具體荷載試驗的工況設置如表1所列。

表1 試驗工況表

為了最有效地進行荷載試驗，通常需要在影響線最大值附近區(qū)域進行最不利加載，因此就有必要根據(jù)確定的各個工況計算相應截面的內力影響線，從而為試驗加載提供理論指導。采用有限元方法建立如圖1所示的橋梁空間有限元模型。

圖1 橋梁空間有限元模型

經過有限元分析，計算得到的各關鍵截面的內力影響線如圖2～圖4所示。在對橋梁進行理論分析的過程中，30#混凝土的彈性模量取為3.03×104MPa，25#混凝土的彈性模量取為2.85×104MPa。

圖2 L/4截面彎矩影響線

試驗荷載一方面應保證結構的安全性，另一方面又應要求能夠充分暴露結構的承載能力[5]。在保證荷載試驗效率的基礎上，根據(jù)當?shù)啬軌颢@得的車輛條件，最終采用的試驗車輛為2輛4軸載重汽車，1#車的載重為450.0 kN，2#車的載重為230.0 kN。

根據(jù)影響線形狀、確定的加載車輛，并在保證達到荷載試驗效率的基礎上，各加載工況試驗車輛在橋面上的具體布置如圖5所示。

圖5 各工況加載車輛布置（單位：m）

根據(jù)確定的加載車輛和車輛布置方案，計算得到在試驗荷載作用下對應于汽車-15級級荷載，各荷載工況的荷載效率如表2所列。

表2 荷載效率表

在荷載試驗過程中，采用分級加載方式，加載前讀取初始讀數(shù)，每級加載待變形穩(wěn)定后讀數(shù)，加載完畢后卸載，加載分級如表3所列。

表3 各荷載工況加載分級

3 測試項目及測點布置

根據(jù)當前的試驗規(guī)程和現(xiàn)場實際情況，在試驗荷載作用下，主要對橋梁關鍵截面的應力應變、撓度和裂縫等項目進行觀測。

應變測點主要布置在下游拱肋的L/4截面、拱頂截面和拱腳截面，每個截面布置兩個應變測點，分別位于截面上緣和截面下緣，如圖6所示。

圖6 應變測點布置圖

撓度測點分別位于L/4截面和拱頂截面。在荷載試驗過程中，對全橋特別是對拱頂、拱腳截面等敏感部位在加載前后均進行仔細的裂縫觀測。首先目測搜尋有無裂縫，如發(fā)現(xiàn)裂縫，則測量其分布長度和裂縫寬度。

4 結果分析及討論

根據(jù)當前的試驗規(guī)程，引入校驗系數(shù)來描述試驗值與理論分析值之間的相互比較，來評定結構整體受力性能[4]。

式（2）中：Se——試驗荷載作用下量測的彈性變位（或應變）值；

Sstat——設計荷載作用下的理論計算變位（或應變）值；

α、β——校驗系數(shù)的限界，對于各種不同的橋型其常見范圍如表4所列。

表4 橋梁校驗系數(shù)常值表

在對測試結果進行處理的過程中，應變以拉為正以壓為負，撓度以向下為正，向上為負。

4.1 工況I

在工況I的加載車輛作用于橋梁時，各測點的實測應變及與理論應變之間的比較如表5所列。

表5 工況I應變結果表

在工況I的加載車輛作用于橋梁時，各測點的實測撓度與理論撓度之間的比較如表6所列。

表6 工況I撓度結果表

從表中可以看出，應變的校驗系數(shù)位于0.77～0.88之間，位移的校驗系數(shù)位于0.80～0.86之間，殘余變形與最大變形之間的比值為0.3/2.9=0.10，滿足相關試驗規(guī)程的限值要求，表明橋梁結構的彈性工作性能良好。

同時，在工況I的試驗車輛加載過程中及加載前后，沒有觀測到結構性裂縫的出現(xiàn)。

4.2 工況II

在工況II的加載車輛作用于橋梁上時，各測點的實測應變與理論應變之間的比較如表7所列。

表7 工況II應變結果表

在工況II的加載車輛作用于橋梁上時，各測點實測撓度與理論撓度之間的比較如表8所列。

表8 工況II撓度結果表

從表中可以看出，應變的校驗系數(shù)位于0.69～0.85之間，位移的校驗系數(shù)位于0.81～0.87之間，殘余變形與最大變形之間的比值為0.2/3.3=0.06，滿足相關試驗規(guī)程的限值要求，表明橋梁結構的彈性工作性能良好。

同時，在工況II的試驗車輛加載過程中及加載前后，沒有觀測到結構性裂縫的出現(xiàn)。

4.3 工況III

在工況III的加載車輛作用于橋梁上時，各測點的實測應變與理論應變之間的比較如表9所列。

在工況III的加載車輛作用于橋梁上時，各測點的實測撓度與理論撓度之間的比較如表10所列。

從表中可以看出，應變的校驗系數(shù)位于0.74～0.84之間，位移的校驗系數(shù)位于0.81～0.86之間，殘余變形與最大變形之間的比值為0.1/2.4=0.04，滿足相關試驗規(guī)程的限值要求，表明橋梁結構的彈性工作性能良好。同時，在工況III的試驗車輛加載過程中及加載前后，沒有觀測到結構性裂縫的出現(xiàn)。

表9 工況III應變結果表

表10 工況III撓度結果表

5 結論

通過對既有大跨鋼筋混凝土拱橋進行荷載試驗，進一步明確了橋梁荷載試驗的步驟和重點。荷載試驗的結果表明，所檢測橋梁的各類校驗系數(shù)滿足試驗規(guī)程的要求，彈性工作性能良好。本文所做的研究工作對同類型橋梁的檢測和評定具有借鑒意義。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]吳文東.危舊拱橋綜合加固技術探討[J].城市道橋與防洪，2010（2）：88-91.

[3]王建華，孫勝江.橋涵工程試驗檢測技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]JTGT J21-2011,公路橋梁承載能力評定規(guī)程［S］.

[5]諶潤水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗[M].北京：人民交通出版社，2003.